電機(jī)電纜超過(guò)300米時(shí)的必然選擇——級(jí)聯(lián)多電平中壓變頻器

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】了解多電平輸出驅(qū)動(dòng)拓?fù)湓谥袎弘姍C(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。如何提高電機(jī)絕緣可靠性，以及選擇變頻器時(shí)需要考慮哪些因素。
 

　　在大多數(shù)工業(yè)電機(jī)應(yīng)用中，包括泵送、壓縮、吹塑、輸送、擠壓和攪拌等，變頻器(VFD)都很常見(jiàn)。在60Hz的公用電源上跨線啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的速度和扭矩只能圍繞在額定值附近一個(gè)非常窄的窗口，才能維持高效運(yùn)行。變頻器允許電機(jī)在較寬的速度范圍下運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)最佳效率，滿足各種不同的扭矩要求，同時(shí)降低電機(jī)應(yīng)力和啟動(dòng)電流。
 

　　01  變頻器的基本原理
 

　　對(duì)于每臺(tái)電機(jī)，最佳電壓和頻率會(huì)隨著應(yīng)用速度和扭矩需求的變化而變化。當(dāng)跨線啟動(dòng)時(shí)，460V、60Hz電機(jī)只能在公用事業(yè)提供的電壓和頻率下運(yùn)行。變頻器可以不斷調(diào)整輸出電壓和頻率，從而克服這一限制，進(jìn)而匹配應(yīng)用負(fù)載的最佳運(yùn)行工況。
 

　　最常見(jiàn)的低壓(通常是小于1000V)變頻器由三部分組成。圖1中，電源從左側(cè)(公用電源)流向右側(cè)(電機(jī))。二極管電橋?qū)⑷喙檬聵I(yè)電源從交流電(AC)轉(zhuǎn)換為直流電(DC)。直流母線充當(dāng)電池。母線存儲(chǔ)從二極管橋接收的能量，在必要時(shí)將能量傳遞給逆變器部分。
 

　　▲圖1：最常見(jiàn)的低壓變頻器由三部分組成。電源從左側(cè)(公用電源)流向右側(cè)(電機(jī))。
 

　　三級(jí)驅(qū)動(dòng)拓?fù)溆幸粋€(gè)直流母線和六個(gè)絕緣柵雙極晶體管。
 

　　逆變器IGBT(絕緣柵雙極晶體管)是以非常高的速度(每秒數(shù)千次)接通和關(guān)斷的開關(guān)。變頻器無(wú)法產(chǎn)生與公用事業(yè)電源匹配的、真正的模擬正弦波輸出。然而，通過(guò)使用脈寬調(diào)制(PWM)，變頻器會(huì)產(chǎn)生一系列短脈沖和長(zhǎng)脈沖，平均起來(lái)它們就代表正弦波電壓波形，如圖2所示。當(dāng)被電機(jī)繞組的電感平滑時(shí)，產(chǎn)生的電機(jī)電流近似為正弦曲線。
 

▲圖2：通過(guò)使用脈寬調(diào)制(PWM)，變頻器產(chǎn)生一系列短脈沖和長(zhǎng)脈沖，
 

　　平均后，這些脈沖代表了該三級(jí)變頻器輸出的正弦波電壓波形。
 

　　在原理上，這有點(diǎn)類似于使用帶有白熾燈泡的調(diào)光開關(guān)。調(diào)光開關(guān)實(shí)際上并沒(méi)有降低燈泡的峰值電壓，它只是足夠快地打開和關(guān)閉燈泡，以至于無(wú)法感知到脈沖，并且平均照度會(huì)降低。
 

　　02  電機(jī)絕緣可靠性考慮因素：反射波
 

　　當(dāng)變頻器可以安裝在電機(jī)附近(50米以內(nèi))時(shí)，通常不需要進(jìn)一步考慮。電機(jī)電纜的電感和電容特性取決于長(zhǎng)度。當(dāng)電纜長(zhǎng)度較短時(shí)，電纜電感和電纜電容通常足夠小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。
 

　　在某些應(yīng)用中，無(wú)法將變頻器安裝在電機(jī)附近。隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜的電感和電容特性變得越來(lái)越重要。當(dāng)電機(jī)電纜上傳播的高頻PWM脈沖被電機(jī)繞組的不同阻抗反射時(shí)，產(chǎn)生的電壓反射將與輸入脈沖相加。電機(jī)處電壓反射的幅度，可能高達(dá)驅(qū)動(dòng)輸出處峰值電壓值的兩倍。如果不采取額外的預(yù)防措施，反射波產(chǎn)生的高壓應(yīng)力，可能會(huì)超過(guò)電纜或電機(jī)絕緣系統(tǒng)的額定值，導(dǎo)致絕緣擊穿以及隨后的電機(jī)或電纜故障。
 

　　NEMA MG-1第四節(jié)第31部分要求與變頻器一起使用的電機(jī)或“逆變器負(fù)載”電機(jī)設(shè)計(jì)，有能夠承受電源額定峰值(Vpeak=√2*VRMS)兩倍的絕緣系統(tǒng)(加上10%的裕量)，以解決電壓尖峰的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。在應(yīng)用變頻器時(shí)，重要的是要確保指定的電機(jī)絕緣系統(tǒng)不僅適合于公用線路電源，還應(yīng)適合與變頻器一起使用。
 

　　另一種常見(jiàn)的解決方案，是在變頻器的輸出端使用負(fù)載電抗器、dV/dt濾波器或正弦波濾波器。在驅(qū)動(dòng)輸出端增加電感，會(huì)增加每個(gè)脈沖的上升時(shí)間，從而產(chǎn)生更平滑的波形，并減少電機(jī)處的波反射幅度。雖然可以有效地減少電壓尖峰，但添加輸出濾波器會(huì)增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體成本、重量和占地面積，帶來(lái)電壓降，產(chǎn)生額外的熱量，并降低系統(tǒng)的整體效率。
 

　　03  級(jí)聯(lián)多電平中壓變頻器
 

　　對(duì)于使用低壓變頻器的250HP以下的電機(jī)，提高絕緣額定值以及配置輸出濾波器，是降低電機(jī)絕緣系統(tǒng)電壓反射風(fēng)險(xiǎn)的有效策略，特別是在需要較長(zhǎng)的電機(jī)電纜的應(yīng)用中。
 

　　同樣的緩解策略也可以適用于更大的變頻器應(yīng)用。然而，對(duì)于250HP以上的應(yīng)用，考慮使用多電平中壓驅(qū)動(dòng)拓?fù)湓诮?jīng)濟(jì)上變得越來(lái)越可行。通過(guò)多電平驅(qū)動(dòng)輸出，變頻器可以產(chǎn)生近乎正弦的輸出波形，在源端消除反射電壓應(yīng)力的風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　大多數(shù)多級(jí)變頻器所用的構(gòu)建塊，與典型低壓變頻器的基本構(gòu)建塊(二極管橋、電容器總線和輸出IGBT)相同。多電平變頻器使用級(jí)聯(lián)拓?fù)洌渲衼?lái)自多個(gè)電容器直流母線的電壓以一系列較小的步長(zhǎng)相加，而不是打開和關(guān)閉單個(gè)直流母線電壓。當(dāng)級(jí)聯(lián)瀑布流過(guò)一系列小步時(shí)，級(jí)聯(lián)驅(qū)動(dòng)拓?fù)湓试S輸出電壓逐漸變小，而不是從全開到全關(guān)(如圖2所示)。
 

▲圖2：通過(guò)使用脈寬調(diào)制(PWM)，變頻器產(chǎn)生一系列短脈沖和長(zhǎng)脈沖，
 

　　平均后，這些脈沖代表了該三級(jí)變頻器輸出的正弦波電壓波形。
 

　　圖3所示的17級(jí)輸出驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌?2條獨(dú)立的直流母線和48個(gè)級(jí)聯(lián)IGBT組成。每個(gè)級(jí)聯(lián)的IGBT都只切換全輸出電壓的一小部分，而不是切換全輸出電壓。圖4所示的輸出電壓波形平滑，接近正弦曲線。
 

　　▲圖3:圖中所示的17級(jí)輸出驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌哂?2個(gè)存儲(chǔ)能量的獨(dú)立直流母線和48個(gè)級(jí)聯(lián)的IGBT。
 

　　每個(gè)級(jí)聯(lián)IGBT只切換全輸出電壓的一小部分，而不是切換全輸出電壓。
 

▲圖4:多級(jí)驅(qū)動(dòng)輸出波形平滑，接近正弦曲線。平滑的級(jí)聯(lián)輸出波形，
 

　　解決了大多數(shù)低壓驅(qū)動(dòng)拓?fù)渌媾R的反射波電壓應(yīng)力挑戰(zhàn)。
 

　　平滑的級(jí)聯(lián)輸出波形從本質(zhì)上解決了大多數(shù)低壓驅(qū)動(dòng)拓?fù)渌媾R的反射波電壓應(yīng)力挑戰(zhàn)。在來(lái)源處消除高振幅開關(guān)脈沖，無(wú)需添加昂貴的濾波器來(lái)防止輸出處的反射波現(xiàn)象。平滑的17級(jí)輸出波形降低了電壓應(yīng)力，延長(zhǎng)了電纜和電機(jī)絕緣系統(tǒng)的使用壽命。
 

　　04  考慮超長(zhǎng)電纜系統(tǒng)的諧振因素
 

　　值得注意的是，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中潛在的有害電壓應(yīng)力中，反射波現(xiàn)象并不是唯一來(lái)源。當(dāng)振蕩力與系統(tǒng)的固有頻率同步時(shí)，就會(huì)發(fā)生共振。
 

　　舉一個(gè)例子：當(dāng)孩子在秋千上隨機(jī)擺動(dòng)腿時(shí)，會(huì)導(dǎo)致秋千以非常小的幅度擺動(dòng)。當(dāng)小腿“泵送”力的頻率與擺動(dòng)振蕩的頻率同步時(shí)，每個(gè)較小的力都會(huì)匯入到系統(tǒng)的能量中，從而逐漸增加每次擺動(dòng)的幅度。在達(dá)到最大振幅后(鏈條松弛)，如果繼續(xù)泵送，則泵送動(dòng)作的共振將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。
 

　　在電機(jī)電纜非常長(zhǎng)(通常超過(guò)300米)的應(yīng)用中，還必須考慮電纜系統(tǒng)的電諧振。現(xiàn)代電壓源型變頻器通過(guò)每秒數(shù)千次打開和關(guān)閉IGBT來(lái)調(diào)制輸出電壓。該載波頻率通常以千赫茲表示(例如，4kHz=每秒4000個(gè)周期)。任何電纜的電感和電容特性的組合都具有獨(dú)特的諧振頻率。當(dāng)電纜長(zhǎng)度小于300米時(shí)，諧振頻率通常遠(yuǎn)高于驅(qū)動(dòng)載波頻率，幾乎不會(huì)產(chǎn)生激勵(lì)風(fēng)險(xiǎn)。隨著電纜長(zhǎng)度的增加，電纜諧振頻率降低。當(dāng)電纜頻率和開關(guān)頻率相等時(shí)，可能會(huì)感應(yīng)出高達(dá)峰值電壓幅度5倍的破壞性諧振電壓。
 

　　對(duì)于使用超長(zhǎng)電纜的應(yīng)用，應(yīng)完成對(duì)變頻器和電纜特性的研究，以評(píng)估潛在風(fēng)險(xiǎn)并確定合適的正弦波輸出濾波器，以防止共振。
 

　　05  降低絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)
 

　　對(duì)于電機(jī)引線較長(zhǎng)的應(yīng)用，級(jí)聯(lián)多電平中壓變頻器具有一般變頻器都有的所有好處，同時(shí)降低了反射波電壓尖峰導(dǎo)致絕緣擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。
 

　　對(duì)于使用具有標(biāo)準(zhǔn)絕緣系統(tǒng)(設(shè)計(jì)用于在60Hz線路電源上運(yùn)行)的傳統(tǒng)電機(jī)應(yīng)用，級(jí)聯(lián)多電平中壓變頻器提供了一種可靠的選擇，可以在不引入額外電壓應(yīng)力的情況下，將系統(tǒng)改裝為變頻控制。